Датчик давления Советский патент 1991 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике, а именно к устройствам дистанционного измерения давления, и может быть использовано в датчиках для измерения давления жидких и газообразных сред при нестационарных температурных режимах работы (при термоударе),

Целью изобретения является повышение точности измерения давления при воздействии термоудара.

На фиг. 1 показана конструкция датчика давления; на фиг. 2 - размещение тензорезисторов на мембране (топология); на фиг. 3 - измерительная схема.

Устройство включает корпус 1, мембрану 2, выполненную за одно целое с корпусом. На мембране сформированы два измерительных моста, защищенные от окружающей среды гермокрышкой 3.

При этом один мост состоит из тензорезисторов 4-7, а другой - из тензорезисторов 8-11, контактные площадки 12 служат для

подключения мостовых измерительных цепей к общей измерительной схеме (фиг. 3). К входной диагонали каждого моста подводится напряжение Unw источника питания. К выходным диагоналям мостов подключены операционные усилители 13, 14, с которых сигнал поступает на блок 15 вычитания и через масштабный усилитель 16 на блок 17 вычитания.

Устройство работает следующим образом.

При подаче измеряемого давления на воспринимающую мембрану 2 последняя прогибается. Тензорезисторы 4-7 и 8-11 испытывают деформацию. Вследствие этого на выходе мостовых измерительных цепей появляются сигналы, пропорциональные измеряемому давлению, которые поступают на входы операционных усилителей 13, 14. Выходные сигналы операционных усилителей 13, 14 будут иметь вид

Ui3 Ki(Upi + UTi),

U14 K2(UP2+ Ur2),

о о

со

N

о о

где Dpi. UP2 - составляющие выходных сигналов мостов, пропорциональные измеряемому давлению;

UT1, UT2 - составляющие выходных сигналов мостов, пропорциональные температуре;

KI, «2 - коэффициенты усиления.

При этом УР1 Up2, a UT1 UT2, так как КЧ тензорезисторов обоих мостов равны, а ТКС и ТКЧ различны.

Тензорезисторы 4 и 8, 5 и 9, 6 и 10, 7 и 11 находятся попарно в равных термпера- турных условиях и равных условиях от рабочей нагрузки.

В нормальных температурных условиях измерительная схема настраивается таким образом, что на выходе блока 15 вычитания сигнал равен нулю

Ui5 Uis - tin Ki (UP1 + LM) - K2 (Up2 +

t Ur2) 0.

От влияния на мостовые схемы температуры на выходе блока 15 вычитания появляется термозависимый сигнал, причем в стационарных температурных условиях (на всех тензорезисторах одинаковая температура) этот сигнал обусловлен только ТКЧ тензорезисторов, а от влияния ТКС самокомпенсируется в каждой из мостовых схем из условия работы моста.

Таким образом, на выходе блока 15 вычитания при любой стационарной температуре (для приведенного случая в диапазоне температур от минус 200 до 150°С) и при отсутствии воздействия измеряемого давления сигнал равен нулю. При воздействии давления на выходе блока 15 вычитания появится термозависимый сигнал за счет различных значений ТКЧ тензорезисторов 4-7 по сравнению с тензорезисторами 8-11.

В нестационарных условиях (например, мгновенное значение температуры на тензорезисторах 4, 8, 6, 10 отличается от мгно- венного значения температуры на тензорезисторах 5, 9, 7, 11, а также может иметь место и различная температурная деформация) происходит изменение выходных сигналов мостовых цепей пропорционально разнице температур и температурных деформаций. Так как ТКС и ТКЧ тензорезисторов каждого моста различны, то и величина изменения выходных сигналов различна. Вследствие этого на выходе вычитания 15 появляется термозависимый сигнал, пропорциональный разнице температур и температурных деформаций на отдельных парах тензорезисторов. Этот сигнал преобразуется в масштабном усилителе 16с необходимым коэффициентом усиления и поступает на вход блока 17 вычитания, на другой вход которого поступает выходной сигнал мостовой цепи из тензорезисторов 8-11, пропорциональный измеряемому давлению и температурным изменениям и усиленный в операционном усилителе 14.

Таким образом, в блоке 17 вычитания

происходит коррекция основного сигнала цепи 8-11, 14, 17 термозависимым и не зависящим от измеряемого давления сигналом, снимаемым с обоих мостов, отдельным от рабочего сигнала в блоке 15 вычитания и

преобразованным до необходимой величины в масштабном усилителе 16.

20

ивь,х К2 (Up2 + UT2) - К3 (KiUpi + KiUri - - K2UP2 - K2UT2).

Учитывая, что K2UP2 KiUpi; К2иТ2т KiUii, a K2UT2 K3 (K2UT2 - KiUTi), где Кз - коэффициент усиления масштабного усилителя 16, получаем

ивых K2UP2. Таким образом, выходной

сигнал датчика зависит только от измеряемого давления, а изменения температуры практически не влияют на выходную характеристику, причем аддитивная составляющая температурной погрешности компенсируется за счет различия ТКС, а мультипликативная - за счет различия ТКЧ тензорезисторов одно моста по сравнению с тензорезисторами другого.

Использование датчика давления позволяет повысить точность измерения в диапазоне температур от минус 200 до 150°С примерно в 4-5 раз за счет уменьшения температурной погрешности.

Формула изобретения Датчик давления, содержащий корпус с закрепленной в нем мембраной, на которой сформированы тензорезисторы, соединенные в два измерительных моста, причем оба моста выполнены с одинаковой топологией, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности измерения давления при воздействии термоудара, в нем тензорезисторы одного моста расположены попарно симметрично с тензорезисторами другого моста относительно центра мембраны, причем температурные коэффициенты сопротивления и тензочувствительности

тензорезисторов одного моста на порядок больше соответствующих коэффициентов тензорезисторов другого моста, а коэффициенты тензорезисторов обоих мостов имеют один и тот же порядок.

Zi

Zl

И

IL

Л

9

II

Изобретение может быть использовано для измерения давления с повышенной точностью в условиях воздействия термоудара. Поскольку две мостовые измерительные схемы с одинаковой топологией размещены на мембране так, что каждому тензорезистору одного моста соответствует расположенный симметрично с ним тензорезистор другого моста, то тензорезисторы попарно находятся в равных температурных полях, полях температурных деформаций, а также в равных деформационных зонах. В результате того, что ТКС и ТКЧ тензорезисторов одного моста отличаются на порядок от ТКС и ТКЧ тензорезисторов другого моста, имеется возможность получения дополнительного термозависимого сигнала, используемого для коррекции температурной погрешности основного сигнала при воздействии термоудара. 3 ил.

09frC99l

;/

a

ипцт

1

фиг.З